第06章外存儲器－new

1、| 2006 lenovolenovo confidential 計算機硬件基礎 外存儲器篇 | 2006 lenovolenovo confidential 主要內容 6.1 概述 6.2 ide/ata 6.3 sata 6.4 硬盤 6.5 軟盤和軟盤驅動器 6.6 cd、dvd及驅動器 6.7 閃存 | 2006 lenovolenovo confidential 6.1 概述 外存儲器是cpu不能直接訪問的存儲器，用于長久地存放大量的包括暫 不使用的程序和數(shù)據 外存儲器三種基本的存儲類型 磁存儲器，將數(shù)據記錄在磁性介質上，代表是硬盤和軟盤 光存儲器，讀和寫是通過光能（光學的）實現(xiàn)的，

2、代表是cd和dvd 閃存，存儲介質是閃存芯片 磁、光存儲器需要通過相應的驅動器才能讀出存儲在上面的數(shù)據 部分外存儲器結合了磁和光的技術 外存儲器通過各種不同的接口和pc系統(tǒng)相連 | 2006 lenovolenovo confidential 6.2 ide/ata 6.2.1 ide與ata 6.2.2 ata版本和傳輸模式 6.2.3 ata接口連接器 6.2.4 ata數(shù)據線 6.2.5 雙驅動器配置 | 2006 lenovolenovo confidential 6.2.1 ide與ata ide（integrated drive electronics，集成驅動器電路）表示電路或控

3、制 器內置于驅動器的接口技術。主要存在以下三種類型： ata ide（16位） xt ide（8位isa） mca ide（16位微通道） ata接口是一種16位并行接口，所以ata又被稱為并行ata，也稱為 pata 常直接用ide來稱呼ata，但從技術上來看，ata才是真正的稱呼 atapi（at attachment packet interface，附加分組接口）是ata標準 的延伸 ， 為了解決在ata接口上連接多種設備而制定 | 2006 lenovolenovo confidential 6.2.2 ata版本和傳輸模式 ata已開發(fā)出的幾個標準版本： ata-1（1986-19

4、94） ata-2（1996；也稱為快速ata，快速ata-2或eide） ata-3（1997） ata-4（1998；也稱為ultra-ata/33） ata-5（1999至今；也稱為ultra-ata/66） ata-6（2000至今；也稱為ultra-ata/100） ultra-ata/133標準未能獲得業(yè)界的廣泛支持 ata的傳輸模式: pio（programmed i/o）模式 dma（direct memory access）模式 ultra-dma（udma）模式 | 2006 lenovolenovo confidential 6.2.2 ata版本和傳輸模式 dma即直接

5、存儲器存取，是一種快速傳送數(shù)據的機制，利用它進行數(shù) 據傳送時不需要cpu的參與 udma模式應用了double data rate（雙倍數(shù)據傳輸）技術，數(shù)據傳輸速度 有了極大的提高 dma的實現(xiàn)需要驅動器、主板芯片組和操作系統(tǒng)同時支持 dma支持可以在操作系統(tǒng)中手動激活 標準版本 pio模式 dma模式 udma模式 速率 (mb/s) ata-10-20 8.33 ata-20-40-2 16.67 ata-30-40-2 16.67 ata-40-40-20-233.33 ata-50-40-20-466.67 ata-60-40-20-5100.00 | 2006 lenovolenov

6、o confidential 6.2.3 ata接口連接器 一般采用40芯集管類型接口連接器 接口連接器設置鍵控，防止數(shù)據線 插反 接口連接器上靠近電源連接器的針 腳即是1針 2.5英寸驅動器一般使用小的50針頭部連接器，能插到該連接器的線纜 有44個引腳，攜帶電源以及標準ata的信號 ，其中40個主要引腳與標 準ata接口連接器的引腳相同（除了物理引腳間距不同） | 2006 lenovolenovo confidential 6.2.4 ata數(shù)據線 專門用于承載主板ata適配器電路和ata驅動器接口連接器之間的信號。 有兩種主要類型，一種是40線，另一種是80線。兩者都使用相同的40 針

7、ata接口連接器，并且都將第1位線纜的顏色標紅 數(shù)據線的長度不能超過0.46米（18英寸） udma 4或udma 5的驅動器必須使用80線數(shù)據線 80線數(shù)據線的藍色接口連接主板ata接口，黑色連接主驅動器，灰色連 接從驅動器 | 2006 lenovolenovo confidential 6.2.5 雙驅動器配置 一個ide通道上可以連接兩個ata驅動器 ，分別是主控制器和從控制器 ata驅動器配置的可能設置： 主驅動器（單驅動器） 主驅動器（雙驅動器） 從驅動器（雙驅動器） 線纜選擇 部分驅動器被簡化為三項設置：主、從和線纜選擇 | 2006 lenovolenovo confident

8、ial 6.3.1 sata概述 sata接口與現(xiàn)有的軟件保持兼容 sata 1.0版本實現(xiàn)硬盤數(shù)據傳輸率150mb/s sata ii工作組開發(fā)一系列擴展規(guī)范 sata 2.5版本分為基本規(guī)范和高級規(guī)范兩部分 基本規(guī)范包括： 接口速率300mb/s ncq技術（在大數(shù)量，高列隊深度隨機存儲應用時有一定優(yōu)勢） 硬盤供電標準（采用標準3.3v接口供電） 熱插撥 交錯式啟動（避免多硬盤同時啟動的電壓沖擊） 硬盤指示燈 | 2006 lenovolenovo confidential 6.3.1 sata概述 高級規(guī)范包括： 端口復用器（在一個控制器上擴展多個sata設備）。 端口選擇器（由端口選擇

9、器根據特定信號選擇活動端口）。 多通道電纜（高速端口互聯(lián)及設備接入）。 esata(外接設備高速連接，可能取代外置usb設備) 一款真正意義上的符合sata 2.5規(guī)范的硬盤必須完全支持基本規(guī)范 sata接口速率 sata類型 總線寬度 （bits） 總線速率 （mhz） 數(shù)據周期時鐘周期 帶寬 （mb/s） sata-150 115001150 sata-300130001300 sata-600160001600 | 2006 lenovolenovo confidential 6.3.2 sata驅動器連接器及線纜 ata與sata相比，兩者在物理上全然不同 sata驅動器連接器及線纜在

10、ata基礎之上進行了改進 ： 一次只傳輸一位數(shù)據， pc系統(tǒng)中路由變得很容易 接口連接器只有7針，而且使用的數(shù)據線非常細，大大減少了使用ata數(shù)據線 遇到的空氣流動問題，并且可以很容易地插入到體積很小的連接器中 數(shù)據線只在兩端有連接器，每條只支持一個單獨的設備，沒有主/從設置 數(shù)據線兩端可以互換 數(shù)據線最大長度是1米，比ata的要長很多 數(shù)據線又細又長，但其傳輸速率卻很高 提供了一種能夠支持+3.3v的15針電源連接器，每一級電壓都可以提供4.5安 培的電流，并且寬度只有24mm | 2006 lenovolenovo confidential 6.3.2 sata驅動器連接器及線纜 sata

11、驅動器可以提供標準的d型大4針電源連接器，也可以提供新的15 針電源連接器，或者兩者都有 一個sata驅動器上同時提供兩種電源連接器時，不要同時都連接上 接口連接器和電源連接器中地線信號針的長度比數(shù)據信號針要長出一小 截，插接時總是地線針先接觸，然后才是信號針接觸，這一定程度上避 免了熱拔插時損害設備問題的出現(xiàn) | 2006 lenovolenovo confidential 6.4 硬盤 6.4.1 硬盤概述 6.4.2 硬盤的基本部件 6.4.3 硬盤的性能參數(shù) 6.4.4 硬盤的容量 6.4.5 硬盤格式化 6.4.6 硬盤的相關技術 | 2006 lenovolenovo confid

12、ential 6.4.1 硬盤概述 硬盤包括一組剛性的、圓盤狀的盤片，這些盤片不能彎曲或折疊因 此被稱為硬盤 硬盤在pc系統(tǒng)里得以普及使用的近20年時間內的變遷： 最大存儲容量從1982年的5mb、10mb發(fā)展到500gb甚至更大 盤片尺寸從最初的5.25英寸發(fā)展到了如今的3.5英寸、2.5英寸、1.8英寸、1英 寸甚至更小 持續(xù)傳輸速率從1983年最初ibm xt機的85-102kb/s提高到如今一些驅動器 的60mb/s以上 平均尋道時間從1983年10mb xt硬盤的大于85 ms（毫秒）減小到如今一些 驅動器的小于4.2 ms 1982年，一個10mb硬盤的價格是1500美元以上（每兆

13、字節(jié)150美元），今天 硬盤的價格已下降到每兆字節(jié)0.5分人民幣或更少 | 2006 lenovolenovo confidential 6.4.1 硬盤概述 硬盤中的盤片互相堆疊，一致地旋轉，盤片少則1 片，多則2或3個盤片， 盤片的兩面都可供驅動器存儲數(shù)據，因此有2面或4面或6面之說 硬盤每個盤片上面有很多同心圓，這些就叫做磁道（track），磁道又分 成許多段，叫做扇區(qū)（sector） ，每個扇區(qū)通常存儲512個字節(jié)。每一 面上位置相同的磁道共同構成一個柱面（cylinder） 通常在每個盤面上都有一個磁頭（head），所有的磁頭都安裝在一個公 共的支架或承載設備上作一致地徑向移進或移出

14、，而不能單獨地移動 | 2006 lenovolenovo confidential 6.4.2 硬盤的基本部件 一個典型硬盤的基本部件包括 以下部分： 磁盤片 邏輯板 讀寫磁頭 連接器 磁頭驅動裝置 配置項目（如跳線或開關） 轉軸電機 盤片、轉軸電機、磁頭和磁頭 驅動裝置通常包含在一個稱為 磁頭盤片組（head disk assembly, hda）的密封腔里 | 2006 lenovolenovo confidential 6.4.3 硬盤的性能參數(shù) 單碟容量 包括正反兩面在內的每個盤片的總容量 轉速 硬盤轉軸電機主軸的轉速，以每分鐘硬盤盤片的旋轉圈數(shù)來表示，單位是rpm 平均尋道時間 磁

15、頭從一個柱面移到另一個隨機距離遠的柱面所需的平均時間，單位為ms 平均潛伏時間 磁頭移動到數(shù)據所在的磁道后，等待指定的數(shù)據扇區(qū)轉動到磁頭下方的時間， 單位為ms 平均訪問時間 磁頭從起始位置到達目標磁道位置，并且從目標磁道上找到指定的數(shù)據扇區(qū) 所需的時間，單位為ms | 2006 lenovolenovo confidential 6.4.3 硬盤的性能參數(shù) 緩存 硬盤的高速緩沖存儲器，是硬盤與外部總線交換數(shù)據的場所 數(shù)據傳輸率 外部數(shù)據傳輸率指的是pc通過數(shù)據總線從硬盤緩存中所讀取數(shù)據的最高速率 內部數(shù)據傳輸率指的是磁頭至硬盤緩存間的數(shù)據傳輸率連續(xù)無故障時間 外部數(shù)據傳輸率高于內部數(shù)據傳輸率

16、 連續(xù)無故障時間 硬盤表面溫度 硬盤表面溫度指硬盤工作時產生的溫度使硬盤密封殼溫度上升情況 | 2006 lenovolenovo confidential 6.4.4 硬盤的容量 在標稱磁盤（包括軟盤）容量時有四個通常使用的數(shù)值： 未格式化容量，以百萬字節(jié)為單位 格式化容量，以百萬字節(jié)為單位 未格式化容量，以兆字節(jié)為單位 格式化容量，以兆字節(jié)為單位 硬盤廠商通常以十進制兆字節(jié)（百萬字節(jié)）報告硬盤的容量，而bios 和fdisk等分區(qū)軟件以二進制兆字節(jié)報告容量 | 2006 lenovolenovo confidential 6.4.5 硬盤格式化 硬盤存儲數(shù)據之前包括三個步驟： 低級格式化

17、早期可以做物理意義上的低級格式化 ，現(xiàn)在不行 分區(qū) 分區(qū)包括主分區(qū)和擴展分區(qū)兩種類型 通常，每塊硬盤必須至少有1個分區(qū)，最多有4個分區(qū)。每個分區(qū)可以支持相同的或 不同類型的文件系統(tǒng) 可以采用操作系統(tǒng)自帶或第三方的分區(qū)工具進行分區(qū) 硬盤分區(qū)信息存放在硬盤的主引導區(qū) 高級格式化 在高級格式化過程中，操作系統(tǒng)創(chuàng)建管理磁盤上文件和數(shù)據所必需的結構系統(tǒng) 通常使用三種文件系統(tǒng) ：fat、fat32和ntfs fat文件系統(tǒng)兼容性最好，可以被幾乎所有操作系統(tǒng)訪問；fat32和ntfs提供了其 他特性，但不能被所有的操作系統(tǒng)所訪問 通過操作系統(tǒng)或第三方軟件可以對上述三種文件系統(tǒng)進行互相轉換 | 2006 le

18、novolenovo confidential 6.4.6 硬盤的相關技術 s.m.a.r.t s.m.a.r.t是自動檢測分析及報告技術（self-monitoring analysis and report technology）的簡寫 可以對硬盤的磁頭單元、轉軸電機、邏輯板以及盤片表面介質等進行監(jiān)測 對漸發(fā)性的故障監(jiān)測有效，而對于一些突發(fā)性的故障無能為力 raid raid是獨立（或廉價）磁盤冗余陣列（redundant array of independent inexpensive disks）的簡寫 用于提高計算機存儲系統(tǒng)的容錯和性能 7種標準的raid級別，分別是raid0到ra

19、id6 軟件實現(xiàn)的raid性能較差 有些主板將ata/sata raid控制器集成在主板上，甚至很多主板芯片組直接 提供raid支持 目前最常用的raid級別有raid 0、raid 1和raid 5 | 2006 lenovolenovo confidential 6.4.6 硬盤的相關技術 raid 0 條帶（striping）。文件數(shù)據條帶分割后， 將各段數(shù)據按照順序分別寫入多塊硬盤中 raid 0性能比較高，但犧牲了可靠性 最少需2塊硬盤 raid 1 鏡像（mirroring）。寫入到一塊硬盤的數(shù) 據是另一塊硬盤的副本 raid 1可靠性很高，可以提高系統(tǒng)的讀性 能，但絲毫沒有提高寫

20、性能。 只能使用硬盤總容量的一半 最少需2塊硬盤 | 2006 lenovolenovo confidential 6.4.6 硬盤的相關技術 raid 5 分布式奇偶校驗。文件數(shù)據條帶分割后， 將各段數(shù)據和通過運算產生的奇偶校驗數(shù) 據分別寫入多塊硬盤。其中，奇偶校驗數(shù) 據分布于各塊硬盤上 為了要同時獲得性能和可靠性 最少需3塊硬盤 raid 10 許多raid控制器將幾種raid級別結合起 來以提高性能和可靠性 raid 0和raid 1結合在一起形成raid 10 這通常需要4塊硬盤 | 2006 lenovolenovo confidential 6.4.7 硬盤的壞道 硬盤壞道其實應該

21、稱為壞扇區(qū)更為貼切 硬盤中無法被正常訪問或不能被正確讀寫的扇區(qū)都稱為壞扇區(qū) 文件系統(tǒng)可以將某個簇標記為壞簇 p-list（永久缺陷表）紀錄硬盤出廠時存在的缺陷 g-list（增長缺陷表）紀錄硬盤使用過程中新出現(xiàn)的缺陷 | 2006 lenovolenovo confidential 6.5.1 軟盤 軟盤上的數(shù)據象硬盤一樣按磁道和扇區(qū)組織 現(xiàn)在使用的軟盤大都是3.5英寸、1.44mb 高級格式化和低級格式化同時進行的 雙密雙密360kb （dd） 高密高密1.2mb （hd） 雙密雙密720kb （dd） 高密高密1.44mb （hd） 特高密特高密2.88mb （ed） 盤片尺寸5.25英寸

22、 5.25英寸 3.5英寸 3.5英寸 3.5英寸 每扇區(qū)字節(jié)數(shù)512 512 512 512 512 每磁道扇區(qū)數(shù)9 1591836 每面磁道數(shù) 40 80808080 面數(shù) 22222 容量（千字節(jié)） 360 120072014402880 容量（兆字節(jié)） 0.352 1.172 0.703 1.406 2.813 容量（百萬字節(jié)） 0.369 1.229 0.737 1.475 2.949 | 2006 lenovolenovo confidential 6.5.1 軟盤 5.25英寸和3.5英寸這兩種軟盤的外觀以及盤片的磁道劃分示意圖 | 2006 lenovolenovo confi

23、dential 6.5.2 軟盤驅動器 在軟盤驅動器中盤片以300rpm和360rpm的速度旋轉 包括以下幾種類型： 720kb的3.5英寸驅動器 1.44mb的3.5英寸驅動器 2.88mb的3.5英寸驅動器 1.2mb的5.25英寸驅動器 360kb的5.25英寸驅動器 由以下幾個基本部分組成 ： 讀寫磁頭 磁頭驅動器 轉軸電機 電路板 控制器 連接器 | 2006 lenovolenovo confidential 6.5.3 軟盤驅動器數(shù)據線 有兩種形式，一種是邊框式（5.25英寸軟盤驅動器），另一種是針式 （3.5英寸軟盤驅動器） 早期的有5個連接器，現(xiàn)在的通常只有2個接口連接器 軟

24、驅可以通過交換接口連接器的方法互換a、b盤符 | 2006 lenovolenovo confidential 6.5.4 軟盤與軟盤驅動器的保養(yǎng) 軟盤片的日常維護要注意以下幾點： 防塵 防磁 合適的溫度和濕度 不要彎曲、擠壓 在標貼上寫字時落筆要輕 軟盤驅動器的日常維護要注意以下幾點： 防塵 防煙霧 采用質量好的軟盤片 定期清潔磁頭 | 2006 lenovolenovo confidential 6.6.1 cd、dvd概述 cd（compact disc）音頻標準，也就是紅皮書cd-da標準最早發(fā)布 后續(xù)的cd標準都繼承了紅皮書中定義的物理格式和數(shù)據存儲格式 記錄數(shù)據的方式是將凹陷（pi

25、t）、平地（land）壓制到或蝕刻到一個 單一的螺旋形磁道中 格式名稱推出時間 紅皮書 cd-da（數(shù)字音頻cd） 1980年 黃皮書 cd-rom（只讀存儲器cd） 1983年 綠皮書 cd-i（交互式cd） 1986年 cd-rom xa cd-rom xa（擴展體系結構的cd-rom） 1989年 桔皮書 cd-r（cd-recordable 可寫cd）1989年 cd-w（cd-rewritable可重寫cd） 1996年 photo-cd cd-p 1990年 白皮書 視頻cd 1993年 藍皮書 cdextra（早期名稱cd-plus或增強音樂） 1995年 | 2006 leno

26、volenovo confidential 6.6.1 cd、dvd概述 dvd代表數(shù)字通用光盤（digital versatile disc） 除了密度較高、支持雙層和雙面以外，其他技術與cd完全相同 dvd與cd的磁道密度對比 | 2006 lenovolenovo confidential 6.6.1 dvd概述 標準dvd格式和容量 正確區(qū)分dvd-video標準和 dvd-rom標準 格式 盤大小面數(shù) 層數(shù) 數(shù)據容量 視頻容量 dvd-180mm單面單層 1.5gb0.7小時 dvd-280mm單面雙層2.7gb1.3小時 dvd-380mm雙面單層 2.9gb1.4小時 dvd-4

27、80mm雙面雙層5.3gb 2.5小時 dvd-5120mm單面單層4.7gb 2.2小時 dvd-9120mm單面雙層8.5gb 4小時 dvd-10120mm雙面單層9.4gb 4.4小時 dvd-14120mm雙面兩種13.2gb 6.3小時 dvd-18120mm雙面雙層17.1gb 8.1小時 | 2006 lenovolenovo confidential 6.6.2 cd-rom技術 由聚碳酸脂晶片制成 直徑120mm、厚1.2mm、中心孔洞直徑15mm的單面盤上保存最多74- 80分鐘的高保真音頻，或者達650mb（74分鐘盤）/700mb（80分鐘盤） 的數(shù)據信息，或者是兩種

28、信息的混合 目前有以下幾種cd文件系統(tǒng)： high sierra iso 9660（基于high sierra） joliet udf（universal disk format，統(tǒng)一磁盤格式） mac hfs（hierarchical file format，層次文件格式） rock ridge | 2006 lenovolenovo confidential 6.6.3 可刻錄光盤 目前主要有兩種可刻錄cd cd-r 由高功率激光照射光盤的染料層，使其產生化學變化，產生凹陷和平地 cd-r只能寫入一次，不能重復寫入 cd-rw 表面的染料層受到激光的照射時，結晶層便在這兩種狀態(tài)之間相互轉換

29、，從而呈現(xiàn) 出凹陷和平地的效果 一張cd-rw的壽命平均可以擦寫1500次 cd-r和cd-rw能夠承受的寫入速度也有快慢之分 cd、cd-r和cd-rw表面對于對于激光的反射率不同 | 2006 lenovolenovo confidential 6.6.3 可刻錄光盤 dvd刻錄主流標準形成了dvd-r/rw、dvd+r/rw和dvd-ram共 存的局面 dvd-ram是市場上出現(xiàn)最早的dvd刻錄標準，它的優(yōu)點是操作簡單、支持鼠標拖 放刻錄、格式化快以及可重復擦寫達10萬次以上等。缺點是不能在多數(shù)的現(xiàn)有 dvd視頻播放器和驅動器中播放，兼容性比較差。 dvd-r/rw是dvd論壇（dvd

30、forum）的正式標準。其中，dvd-r只能做一次性 寫入數(shù)據的操作，而dvd-rw可以重復多次擦寫數(shù)據。 dvd-r/rw的優(yōu)點是兼容 性好，以dvd視頻格式刻錄的光盤也可在視頻播放器上播放。 dvd+r/rw并不屬于dvd論壇的正式標準。但dvd+r/rw是唯一獲得微軟公司全 部讀寫支持的dvd標準。較之其他dvd刻錄標準，dvd+r/rw優(yōu)勢十分明顯，如 無損鏈接，可以在任何一點停止和開始刻錄而無需費時間進行終止，而且也不會打 斷或丟失數(shù)據。同樣的，dvd+r只能做一次性寫入數(shù)據的操作，而dvd+rw可以 重復多次擦寫數(shù)據。 | 2006 lenovolenovo confidentia

31、l 6.6.4 cd-rom、dvd-rom驅動器 三種加載機制：托架（tray）、盒式（caddy）和插槽（slot） 操作方式： | 2006 lenovolenovo confidential 6.6.4 cd-rom、dvd-rom驅動器 讀取光盤時采用以下三種不同的方式： clv（constant linear velocity，恒定線速度） cav（constant angular velocity，恒定角速度 p-cav（partial constant angular velocity，局部恒定角速度） 短小機身設計的光驅節(jié)約了機箱內部的空間 性能參數(shù)： 數(shù)據傳輸速率 cd-r

32、om驅動器基準傳輸速率為153.6kb/s dvd-rom驅動器的基準速率為1385kb/s 驅動器讀取速度通常是指最高速度 訪問時間 緩存 cpu利用率 | 2006 lenovolenovo confidential 6.6.5 可刻錄驅動器 combo（康寶）就是將dvd-rom驅動器和cd-rw驅動器合二為一 cd-r驅動器一般列出兩個速度，一個寫速度，一個讀速度 cd-rw驅動器則列出三個速度，一般以 a/b/c的形式標注，其中a表示 寫cd-r的速度，b表示寫cd-rw的速度，c表示讀盤的速度 可刻錄cd驅動器一般具有2mb-4mb以上的大容量緩存 | 2006 lenovolen

33、ovo confidential 6.6.5 可刻錄驅動器 主流的可刻錄dvd驅動器提供對多種刻錄標準和光盤的支持 可刻錄dvd驅動器在刻錄不同標準的光盤時采用的速度是不一樣的 | 2006 lenovolenovo confidential 6.6.6 dvd版權保護版權保護 dvd視頻盤采用三種主要的保護系統(tǒng)，分別是： 區(qū)域重放控制（regional playback control，rpc） 內容抓取系統(tǒng)（content scrambling system，css） 類比保護系統(tǒng)（analog protection system，aps） 在rpc中定義了八個地區(qū) 美國、加拿大、美國領土 日本、歐洲、南非以及中東 東南亞和東亞 澳大利亞、新西蘭、太平洋諸島、